模拟电路故障物理注入系统设计

李文海 李睿峰 王怡苹 席靓

摘 要：针对当前模拟电路故障物理注入试验中缺乏高效故障注入及测试数据采集手段的问题，设计一种基于PXI仪器总线的自动化故障注入系统。该系统能够完成对模拟电路大部分故障的自动化注入以及故障响应信息的采集等功能，具有通用性、扩展性和易操作等特点。此外，对开关网络的控制信號进行建模，确保开关切换时切换对象、切换时间的准确无误，避免故障注入过程中发生错误导致故障注入系统和被测电路的损坏。最后，通过对实例电路进行试验，验证了该系统的实用性，并收集了进行测试性分析所需的数据信息。

关键词： 模拟电路； 物理注入； 数据采集； 故障注入系统； 开关网络； 拓扑模型

中图分类号： TN710.4?34； TP206.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）08?0104?05

Abstract： In allusion to the problem that there are no high efficient fault injection and test data acquisition means in the current analog circuit fault physical injection experiment， an automatic fault injection system based on PXI instrument bus is designed. The system is universal， scalable and easy to operate， and can accomplish functions such as automatic injection for most analog circuit faults and fault response information acquisition. The control signal model of switch network is constructed to ensure that the switching object and switching time are accurate over switch switching， and avoid the damage to fault injection system and circuit under test caused by injection errors. An example circuit test was carried out in which the practicability of the system was verified， and data information needed for testability analysis was collected.

Keywords： analog circuit； physical injection； data acquisition； fault injection system； switch network； topology model

0 引 言

故障注入技术是进行产品测试性验证试验的重要手段[1]，按试验运行环境即目标系统形式，可以划分为基于模拟的故障注入和基于物理的故障注入两类[2]。前者通过构造模拟模型来运行故障注入试验，后者则可以在实体电路上注入故障。由于在某些情况下模拟注入得到的结果与实际情况还有较大差别，因此需要物理注入对其进行验证。

文献[1]设计的自动控制故障注入设备，可以针对成品电子设备，在连线上直接注入故障。文献[3]研制的故障注入设备，可在电路板与电路板之间、部件与部件之间的J30电连接器处注入8种常见的故障类型。文献[4?5]设计一种软硬件结合的装备半实物测试模拟器，利用自动测试系统对半实物武器装备模型进行测试，从而实现对其测试性设计水平的验证。

文献[6]提出一种基于DSP技术的半实物仿真式故障注入系统。文献[7]设计一个支持多层次多故障类型的总线故障注入系统框架。

在上述故障注入工具的设计中仍然存在一些问题：

1） 基于模拟的故障注入方法容易受到仿真模型的限制，导致部分电路不能模拟，能够运行仿真的电路也都基于理想模型，与具体实际存在很大差别。

2） 基于故障物理注入开发的工具往往针对某一具体对象，缺乏系统全面且稳定性高的注入工具。

本文针对模拟电路的测试性验证的工程需要，通过研究电路故障的实现形式和控制故障注入的操作方式[8]，设计了一种自动化故障注入系统（以下简称“故障注入系统”），构建电路进行故障物理注入试验并测试了故障响应。

1 设计需求分析

故障注入系统面向装备研制阶段后期获得的有故障注入接口设计的电路成品，需要通过改变电路内部结构引入故障。在电路测试性设计阶段，应根据试验得到的易发故障模式，在电路内部连线的相应位置预留出故障注入接口。

模拟电路主要由各种电子元器件构成，如电阻、电感、电容、二极管、三极管、场效应管和集成芯片等[9]。文献[3]给出了常见电路的故障模式，而对于模拟电路元器件来说，可以归结为开路、短路、参数漂移、桥接电阻和连接错误5种故障类型。需要指出的是，对具有3个以上管脚的元器件，开路故障应该分别考虑每个管脚开路的情况，短路故障应该分别考虑每2个管脚间短路的情况。故障注入系统必须能够模拟上述故障类型，具备通用性、扩展性和易操作等特点，且具有较好的信号隔离能力和信号驱动能力，防止因故障注入系统的接入使被测对象的性能受到影响。

2 自动化故障注入系统设计

2.1 系统总体设计

根据需求分析，设计了适用于模拟电路测试性验证的自动化故障注入系统，其结构如图1所示。

故障注入系统的主要工作流程为：用户通过软件完成故障注入试验的相关设置并执行故障注入；控制模块读取用户输入的信息，并驱动仪器完成相应的故障注入和数据采集操作；根据采集到的测试数据，用户提取需要的信息，进行后续处理。

2.2 硬件平台构成

故障注入硬件平台如图2所示。使用18槽PXI机箱组件集成所有的PXI板卡，并通过预留槽位用于功能扩展。将这些构成单元集成在一台便携箱中，协同完成图1中各个模块的具体功能。

1） 系统控制模块。由PXI零槽控制器构成，用于根据控制软件发出的命令，产生试验控制的各种信号。自动化故障注入软件运行在控制模块上，用于输入和设置试验相关参数，接收底层仪器模块提供的故障测试结果，进行分析和处理。

2） 信号激励模块。由交直流电源、PXI组件中的DA板卡等构成，用于根据CUT的驱动需求，产生故障注入试验所需的各类激励，通过接口模块接入到CUT内部，作为输入信号。

3） 故障模拟模块。由PXI程控电阻卡构成，用于模拟产生注入到CUT的各种故障模式，是故障注入总线的故障模拟端。

4） 故障注入模块。由PXI开关卡构成，用于将故障模拟模块产生的各类故障注入到CUT中，是故障注入总线的故障注入端。

5） 信号转接模块。由PXI组件中的矩阵卡构成，用于将CUT的测试点与测试模块连接，完成故障响应信息的传递，是系统测试总线的数据采集端。

6） 数据采集模块。由PXI组件中的万用表构成，通过信号转接模块，在执行故障注入的同时，测量各测试点的响应特征信息，收集测试数据，是系统测试总线的测量端。

7） 数据处理模块。同样基于PXI零槽控制器，用于对采集到的数据做一些基本处理，提取测试数据的部分特征信息，方便后面的测试性分析。

8） 接口模块。由通用接口部件构成，集合了故障注入总线和系统测试总线，通过适配器和适配电缆将CUT接入系统，能够兼容不同类型的CUT。

2.3 控制軟件设计

2.3.1 软件组成

自动化故障注入软件由被测电路设置、仿真结果读取、故障注入设置和测试数据采集4个模块构成，各模块的具体功能如下：

1） 被测电路设置模块用于读取原理图，并输入网表，是对CUT内部连线及其与故障注入平台之间连接关系的描述，同时确定所有可达测试点。

2） 仿真结果查看模块用于查看CUT故障仿真注入的结果，给用户提供一个试验实测结果与验前仿真结果的对比。

3） 故障注入设置模块用于编辑、生成故障注入项目。通过故障元器件和故障模式的选择，将故障样本输入到软件中。

4） 测试数据采集模块用于选择测试点，设置数据采集参数，执行故障注入，采集测试数据，以及提取测试信息便于后续处理。

2.3.2 测试流程

故障注入软件运行在控制模块上，通过底层仪器驱动，完成相关测试，测试流程如图3所示。

2.3.3 实用软件开发

基于CVI软件平台，开发了图形化的自动化故障注入系统控制软件。

3 开关网络拓扑建模

3.1 开关控制模型设计

故障注入系统与CUT之间存在两类连接关系，通过开关切换完成故障注入和数据采集功能。控制开关切换时，必须确保切换对象、切换时间的准确无误。因此，建立两类开关控制模型：故障注入模块开关控制模型和信号转接模块开关控制模型。

3.1.1 故障注入模块开关控制模型

故障注入模块采用总线拓扑形式实现电路物理连接失效，以三个开关为一组，在每个故障注入点处接入一组开关，通过开关选择完成信号正常传递或者接入故障。每个开关组的第1个开关保持原有线路的连通，第2个开关接入故障总线A，第3个开关接入故障总线B。只考虑注入单个故障，采用总线拓扑结构即可完成上文所述五种类型故障的注入，试验机理如图4所示。注入开路和短路故障，通过故障注入端的操作即可实现；对于参数漂移故障，系统只能模拟电阻阻值的增大或减小，分别通过串接电阻和并接电阻实现，其中串接电阻需要输出1与输入2相连；桥接故障与并接电阻相同；连接错误故障需要使用四组开关将元器件的正负端短接。

3.1.2 信号转接模块开关控制模型

由于所有测试点共用同一个万用表，且测量电流与测量电压或电阻等其他信号用到的测试端子是不同的，因此以万用表的三个测试端子为基础构建了系统测试总线，将CUT的所有测试点通过开关矩阵接入测试总线。系统配置的矩阵卡可提供4×16矩阵，以矩阵的行作为测试总线，测试总线A，B，C分别与万用表的电压、电流和地三个端子连接，将测试点接入矩阵的列，试验机理如图5所示。

3.2 开关网络映射拓扑库建立

为了避免故障注入错误的发生，建立多路开关选择矩阵。每个开关控制模型用向量表示，向量元素映射为开关控制信号，控制信号取值对应开关通断状态，“0”表示断开，“1”表示接通[10]。依次对故障注入开关控制向量和数据采集开关控制向量进行赋值，建立2类开关控制向量的映射拓扑库。

3.2.1 故障注入开关映射拓扑库

开关卡提供40通道开关，以3个开关为一组，最多可构成13组，占用39个开关。对于第i个故障注入项目，建立一个39元素的逻辑序列向量式：

3.2.2 数据采集开关映射拓扑库

由图5可知，需要对48个双刀单掷开关进行控制。因此，对于第i个测试项目，建立一个48元素的逻辑序列向量式：

3.2.3 操作流程

试验开始时，全部开关初始化为断开状态，通过故障注入软件编辑故障注入项目并选择测试点，软件建立开关逻辑序列向量，完成故障样本的依次注入和测试数据采集。

4 应用实例

本文选用PSpice仿真实验中常用的线性串联稳压电路，设计制作了实体电路板，并预留出故障注入和响应测试接口。表1是根据故障模拟注入的结果选取出的故障样本。

4.1 被測电路设置

CUT输入激励采用10 V/50 Hz的正弦信号，共有9个测试点。读取原理图文件和网表文档到程序中，软件自动完成CUT连接关系描述与底层具体连线的匹配。

4.2 仿真结果查看

基于实验室已开发的故障模拟注入工具，获得仿真条件下的测试数据。仿真结果查看界面可以将仿真结果读取到界面上，进而查看每个故障样本下的仿真数据。此外，还可以绘制数据图形。

4.3 故障注入设置

注入项目编辑部分列举了实例电路的所有元器件与故障模式，用户可依次进行选择，将表1中的故障样本输入到故障注入软件中。软件根据被测电路设置中匹配好的底层连接关系，建立图6中开关网络的映射拓扑库。以R1开路为例，相关开关组为KG4，包含的开关编号为K10～K12。正常状态下，K10闭合，其余两个开关断开，R1开路时，K10断开。由式（1）得，逻辑序列向量式K1中K1，10=0，K1，11=0，K1，12=0。

4.4 测试数据采集

测试数据采集界面分为测试相关设置、测试数据采集和测试信息提取三个部分。

在测试相关设置部分，勾选出前9个测试点，根据电路功能，设置数据采集项目为电压，由于输入信号周期为20 ms，因此采集的步进为1 ms，持续时间为1 s，系统会在故障注入后延时1 s用来完成数据采集。执行故障注入，待所有项目完成之后，电路断电并恢复至正常状态，通过测试数据采集部分将故障注入结果显示出来，见图7。由于CUT各测试点上多是负值电压，因此在测试信息提取部分提取了测试数据的最小值信息，并保存到文件中。

5 结 语

本文针对模拟电路的故障物理注入问题，设计实现了自动化故障注入系统。系统能够完成对模拟电路大部分故障的自动化注入以及故障响应信息的采集，具有通用性、扩展性和易操作等特点。采用开关网络控制模型，避免故障注入过程中发生错误导致故障注入系统和被测电路的损坏。最后，通过对实例电路进行试验，验证了系统的实用性。

参考文献

[1] 石君友，李郑，刘骝，等.自动控制故障注入设备的设计与实现[J].航空学报，2007，28（3）：556?560.

SHI Junyou， LI Zheng， LIU Liu， et al. Design and implementation of automatic control fault insertion equipment [J]. Acta aeronautica et astronautica sinica， 2007， 28（3）： 556?560.

[2] 徐萍，康锐.测试性试验验证中的故障注入系统框架研究[J].测控技术，2004，23（8）：12?14.

XU Ping， KANG Rui. Research of fault injection system framework in testability experimental validation [J]. Measurement &； control technology， 2004， 23（8）： 12?14.

[3] 黄永飞，彭欣洁.常用电路的故障注入方法[J].航空兵器，2007（2）：59?61.

HUANG Yongfei， PENG Xinjie. A method of fault injection in normal circuit [J]. Aero weaponry， 2007（2）： 59?61.

[4] 李志宇，黄考利，连光耀.基于测试性验证的故障注入系统设计研究[J].军械工程学院学报，2012，24（5）：64?67.

LI Zhiyu， HUANG Kaoli， LIAN Guangyao. Study on design of fault injection system based on testability verification [J]. Journal of Ordnance Engineering College， 2012， 24（5）： 64?67.

[5] 李志宇，黄考利，连光耀.基于半实物仿真的故障注入系统设计[J].计算机测量与控制，2013，21（3）：570?572.

LI Zhiyu， HUANG Kaoli， LIAN Guangyao. Study on Design of Fault Injection System Based on Testability Verification [J]. Computer measurement &； control， 2013， 21（3）： 570?572.

[6] 高凤岐，连光耀，黄考利，等.基于半实物仿真的电路板故障注入系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2009，17（2）：275?277.

GAO Fengqi， LIAN Guangyao， HUANG Kaoli， et al. Design and realization of fault injection system for circuit board based on HILS [J]. Computer measurement &； control， 2009， 17（2）： 275?277.

[7] 聂磊，冯金富，刘安，等.ARINC429总线的故障注入测试方法[J].电光与控制，2014（10）：85?88.

NIE Lei， FENG Jinfu， LIU An， et al. Design of fault injection on ARINC429 bus [J]. Electronics optics &； control， 2014（10）： 85?88.

[8] 马毅，高小鹏.面向BIT验证的总线级故障注入器设计与实现[J].微计算机信息，2010，26（23）：118?120.

MA Yi， GAO Xiaopeng. Design and implement of fault injection unit of VME bus fault injection system [J]. Microcomputer information， 2010， 26（23）： 118?120.

[9] 景文富，杨旭，吕俊霞.模拟电路常用电子元器件的检测方法[J].精密制造与自动化，2009（3）：43?45.

JING Wenfu， YANG Xu， L? Junxia. Detection method of common electronic components in analog circuit [J]. Precision manufacturing &； automation， 2009（3）： 43?45.

[10] 罗秋凤，肖前贵.飞控PXI型自动测试系统的实现[J].计算机测量与控制，2011，19（4）：768?771.

LUO Qiufeng， XIAO Qiangui. Implementation of automatic test system on PXI for flight control system [J]. Computer measurement &； control， 2011， 19（4）： 768?771.